Des scientifiques des universités de Duke et de Rutgers viennent de développer un cadre mathématique qui devrait, selon eux, permettre aux astronomes de tester une nouvelle théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage...) à cinq dimensions de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), théorie en concurrence avec la relativité générale (La relativité générale est une théorie relativiste de la gravitation. Dans ce cadre, la présence d'une masse déforme...) d'Einstein.


Charles R. Keeton de Rutgers et Arlie O. Petters de Duke basent leurs travaux sur une théorie récente appelée "modèle du Braneworld Randall-Sundrum de type II". Cette théorie soutient que l'univers visible est une membrane (d’où le mot "Braneworld") encastrée dans un univers plus grand, un peu comme une algue qui flotte dans l'océan (Un océan est représentée, en géographie, par une vaste étendue d'eau salée. En réalité il s'agit plutôt d'un volume,...). L’univers "Braneworld" possède cinq dimensions, quatre dimensions spatiales et une dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa...) temporelle, s’opposant en cela aux quatre dimensions, trois d’espace, plus le temps (Le temps est un concept développé pour représenter la variation du monde : l'Univers n'est jamais figé, les...), proposées par la théorie de la relativité générale.

Le cadre que Keeton et Petters ont développé prévoit certains effets cosmologiques qui, s’ils sont observés, pourraient permettre aux scientifiques de valider cette théorie. Les observations, ont-ils indiqué, devraient être possibles à l’aide des prochains observatoires spatiaux. Selon Peters, si la théorie du Braneworld est vérifiée, elle confirmerait l’existence d’une quatrième dimension de l’espace, ce qui modifierait profondément notre compréhension du monde (Le mot monde peut désigner :): le modèle de Randall-Sundrum est une description mathématique de la façon dont la gravitation sculpte l'univers, qui diffère de celle offerte par la théorie de la relativité générale.

Une multitude de mini trous noirs

Keeton et Petters se sont concentrés sur une de ses conséquences qui la distingue de la théorie d'Einstein. La théorie du Braneworld prévoit que des "trous noirs" relativement petits, produits lors de la prime jeunesse de l’Univers, ont survécu jusqu’à aujourd’hui. Ces trous noirs, équivalents à de minuscules astéroïdes, feraient partie de la "matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont...) sombre" de l'univers. Comme son nom l’indique, la matière sombre n’émet ni ne réfléchit la lumière (La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des...), tout en exerçant une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou...) de gravitation sensible. La théorie de la relativité, pour sa part, prévoit que de tels trous noirs primordiaux n'existent plus, car ils devraient s’être vaporisés depuis le moment de leur formation.

"Quand nous avons estimé à quelle distance les trous noirs du Braneworld pourraient être de la Terre, nous avons été étonnés de constater que les plus proches se trouveraient largement à l'intérieur de l'orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que décrit dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous...) de Pluton (Pluton, dont la désignation officielle est (134340) Pluton, est la deuxième plus grande planète naine connue du système...)", indique Keeton. "Et si même ces trous noirs ne représentent qu’un pour cent de la matière sombre dans notre secteur de la galaxie, ce qui est une estimation prudente, alors il pourrait en exister plusieurs milliers dans notre propre Système Solaire (Le système solaire est le nom donné au système planétaire composé du Soleil et des objets célestes gravitant autour de...)", ajoute Petters.

Mais les trous noirs du Braneworld existent-ils réellement et représentent-ils donc une vérification pour cette théorie à cinq dimensions ?

Observer les franges des rayons gamma

Les scientifiques ont montré qu'il devrait être possible de répondre à cette question en observant les effets que les trous noirs du Braneworld exerceraient sur les rayonnements électromagnétiques que nous recevons d'autres galaxies. Les trajectoires de telles radiations passant à proximité d'un de ces trous noirs seraient modifiées par les forces de gravitation énormes de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois...), par l’effet appelé "lentille gravitationnelle (Les lentilles gravitationnelles déforment l'image que l'on reçoit d'un objet astronomique comme une galaxie.)".

Selon Keeton, il faudrait détecter l’action de ce phénomène sur le rayonnement émis par les sursauts gamma. Ces flashs de rayons gamma sont produits par d'énormes explosions dans tout l'univers. Les deux scientifiques ont calculé que les trous noirs du Braneworld modifieraient la trajectoire des rayons gamma de la même manière qu’une roche dans un étang (Un étang (estang, latin stagnum) est une étendue d'eau stagnante, peu profonde, de surface relativement petite (jusqu'à...) entrave le passage des ondes. La présence de la roche génère une "figure d'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent. Ce phénomène...)" dans son sillage dans laquelle certaines crêtes sont plus hautes, certaines cuvettes sont plus creuses, et enfin certaines crêtes et cuvettes s'annulent les unes les autres. La figure d'interférence résultante porte la signature des caractéristiques de la roche et de l'eau (L’eau (que l'on peut aussi appeler oxyde de dihydrogène, hydroxyde d'hydrogène ou acide hydroxyque) est un...).

De la même façon, un trou noir du Braneworld produirait une figure d'interférence pour un faisceau de rayons gamma qui le frôlerait dans sa route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée...) vers la Terre. Les chercheurs prédisent la présence de franges lumineuses et sombres dans la figure, qui fourniraient un moyen de déduire les caractéristiques de ces trous noirs et, par voie de conséquence, de la structure de l'espace et du temps: "Nous avons découvert que la signature d'une quatrième dimension apparaît dans les figures d'interférence", explique Petters. "Cette dimension spatiale supplémentaire produit une contraction entre les franges par rapport à ce que l’on obtiendrait avec la relativité générale". Les chercheurs précisent que leurs prévisions s'appliqueraient à tous les trous noirs du Braneworld, qu’ils soient situés dans notre Système Solaire ou au-delà.

Petters et Keeton ont indiqué qu'il devrait être possible de mesurer le profil des franges prédites pour les rayons gamma en utilisant le télescope spatial (L'utilisation d'un télescope sur Terre est limitée par les turbulences de l'atmosphère, qui dégradent considérablement...) GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), qui devrait être lancé en août 2007. "Si la théorie du Braneworld est correcte", disent-ils, "il devrait exister un nombre (Un nombre est un concept caractérisant une unité, une collection d'unités ou une fraction d'unité.) extraordinaire de trous noirs de ce type à travers tout l'univers, et chacun d’eux porterait la signature d'une quatrième dimension spatiale".